JP6034630B2 - 蓄電素子、巻回方法、及び巻回装置 - Google Patents
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Description
本発明は、コンデンサ、又は電池等に使用される蓄電素子、その材料を巻回する巻回方法、及び巻回装置に関する。
図５は、正電極１０１、負電極１０３、及び２つのセパレータ１０５である４条の帯状物を巻回する巻回装置１０７を示している。符号１０９，１１１は、帯状物が巻掛されたガイドローラ、及びテンションローラを指している。巻回装置１０７は本技術分野において公知であるので、その動作のみを次に述べる。
巻軸１１３の回転に従い帯状物が巻軸１１３に巻き取られる。そして、巻軸１１３に巻き取られた帯状物の長さが所望に達する少し前に、ターレット１１５が矢印αの向きに回動し、巻軸１１３が図示の巻軸１１７の位置に移動する。続いて、この位置に移動した巻軸１１３の回転が停止し、巻軸１１３に巻き取られた帯状物はカッター等によりそれぞれの原反１１９，１２１，１２３から切断される。
このように帯状物を巻回して成る蓄電素子１２５は、帯状物の切り口が解けないように粘着テープ１２７の断片を貼り付けられ、巻回装置１０７から取り外される。一方、上記ターレット１１５の旋回により巻軸１２９が図示の巻軸１１３の位置に移動し、この位置に移動した巻軸１２９に４条の帯状物が新たに巻き付けられる。以上の動作が繰り返され、蓄電素子１２５の製造が逐次行われる。
蓄電素子１２５の充電と放電による発熱がセパレータ１０５を溶融させ、これが蓄電素子１２５の内部短絡の原因になることがある。即ち、一般的なリチウムイオン二次電池に使用されているセパレータは短絡防止のためのシャットダウン機能を有する。これは、セパレータの原料を約１３０℃付近で延伸し、その微細孔を塞ぐことにより電流やイオンを遮断できるようにしたものである。しかしながら、セパレータが加熱されたときに収縮し二次電池の電極同士が短絡することがある。或いは、二次電池の発熱が続きセパレータがその融点（約１６０℃）を超える温度に加熱されると、セパレータは絶縁を保つことができなくなり、二次電池の電極同士が短絡することがある。
巻回装置１０７の従来の構造では、帯状物同士の間に異物が混入するのを完全には防止できない。例えば、カッター等により正電極１０１、又は負電極１０３が切断されるときに金属粉が飛散し、帯状物に付着することがある。このような異物やリチウムデンドライト等によりセパレータ１０５が傷つき微少短絡が発生し発熱が起こると、その熱がセパレータ１０５の傷を拡大（溶融）させるため、蓄電素子１２５の内部短絡を招く事態となる。
また、セパレータ１０５は、所望の静電容量を確保することができ、しかも安価であることが求められる。このため、セパレータ１０５に最適な材料として耐熱性能に優れたものを調製することは容易でない。下記の特許文献は、セルロース系高分子の耐熱層を表面に積層したセパレータを開示しているが、金属粉のように硬質な粒子は耐熱層を傷つける恐れがある。
本発明の目的とするところは、セパレータの損傷を予防し信頼性の高い蓄電素子、その巻回方法、及び巻回装置を提供することにある。
また、本発明は、巻軸の回転する方向に、正電極、一のセパレータ、負電極、及び他のセパレータを配列し、これらを前記巻軸の周りに巻回する巻回方法であって、前記一のセパレータに重ね合わされる一の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータに重ね合わされる他の耐熱フィルムを、前記正電極と前記負電極との間に介在させ、前記巻軸の回転に従わせて該正電極、該一のセパレータ、該一の耐熱フィルム、該負電極、該他の耐熱フィルム、及び該他のセパレータを該巻軸に巻き取り、前記巻軸に巻き取る前記正電極、前記一のセパレータ、前記一の耐熱フィルム、前記負電極、前記他の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータを、６組の一対のニップローラによって、各々別個に挟んで該巻軸へ送ることを特徴とする。
また、本発明は、前記６組の一対のニップローラを前記巻軸の周りに配置することを特徴とする。
また、本発明は、巻軸の回転する方向に配列された正電極、一のセパレータ、負電極、及び他のセパレータを前記巻軸の周りに巻回する巻回装置であって、前記一のセパレータに重ね合わされる一の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータに重ね合わされる他の耐熱フィルムを前記正電極と負電極との間に供給する複数の供給手段を備え、前記巻軸の回転に従わせて該正電極、該一のセパレータ、該一の耐熱フィルム、該負電極、該他の耐熱フィルム、及び該他のセパレータを該巻軸に巻き取り、前記巻軸に巻き取る前記正電極、前記一のセパレータ、前記一の耐熱フィルム、前記負電極、前記他の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータを、各々別個に挟んで該巻軸へ送る６組の一対のニップローラを備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記６組の一対のニップローラを前記巻軸の周りに配置したことを特徴とする。
本発明の蓄電素子によれば、一のセパレータ、及び他のセパレータにそれぞれ重ね合わされる複数の耐熱フィルムが、正電極と負電極との間に介在させているので、シャットダウン機能を有するセパレータが温度上昇により収縮することがあっても、耐熱フィルムが内部短絡を防止する役割を果たすことができる。また、セパレータが過度に加熱され溶融することがあっても、耐熱フィルムが内部短絡を防止する役割を果たすことができる。
本発明の巻回方法、及び巻回装置は、一のセパレータ、及び他のセパレータにそれぞれ重ね合わされる複数の耐熱フィルムを、正電極と負電極との間に介在させ、巻軸の回転に従わせて一のセパレータ、負電極、他のセパレータ、及び複数の耐熱フィルムを巻軸に巻き取らせることにより、上記の蓄電素子を容易に製造することができる。
図１（ａ）にドットを付された部位Ｄの側面図が同図（ｂ）に示されている。本発明の実施形態に係る蓄電素子１は、一のセパレータ３、正電極５、他のセパレータ７、及び負電極９をこれらの順に径方向に積層したものであって、正電極５と負電極９との間に耐熱フィルム１１，１３を介在させている。
一のセパレータ、及び他のセパレータは、同様の２つのセパレータ３，７を区別した呼称である。正電極５、セパレータ３，７、負電極９、及び耐熱フィルム１１，１３は、それぞれの幅方向の両側を直線状の縁とした帯状物である。セパレータ３，７として、ポリエチレン、ポリプロピレン、これらの複合材料、又はポリフッ化ビニリデンから成るフィルムを適用しても良い。セパレータ３，７の厚みは５〜３０μmであることが好ましい。正電極５、及び負電極９として銅、又はアルミニウム等の金属箔を適用しても良い。正電極５、及び負電極９の厚みは２０〜３００μmであることが好ましい。
耐熱フィルム１１，１３は、セパレータ３，７にそれぞれ重ね合わされる寸法であれば良い。これは、セパレータ３，７と耐熱フィルム１１，１３のそれぞれの幅が互いに一致し、或いはセパレータ３，７の幅よりも耐熱フィルム１１，１３の幅が少し広いことを意味する。耐熱フィルム１１，１３の材料として、ポリエステル系不織布、ポリオレフィン系不織布、ビニロン系不織布を適用することができる。耐熱フィルム１１，１３の厚みは５〜３０μmであることが好ましい。
以上に述べた蓄電素子１によれば、セパレータ３，７が温度上昇により収縮することがあっても、耐熱フィルム１１，１３が内部短絡を防止する役割を果たすことができる。或いは、セパレータ３，７が過度に加熱され溶融することがあっても、耐熱フィルム１１，１３が内部短絡を防止する役割を果たすことができる。
蓄電素子１の製造は次に述べる巻回方法によって行うことができる。この巻回方法は、図２に示すように、セパレータ３、正電極５、セパレータ７、及び負電極９を巻軸１５の回転する方向に配列し、正電極５、及び負電極９の間に耐熱フィルム１１，１３を介在させ、これらの帯状物を巻軸１５の回転に従わせて巻軸１５に巻き取らせるものである。
図３に示すように、原反１７，１９，２１，２３から正電極５、セパレータ３，７、負電極９、及び耐熱フィルム１１，１３がそれぞれ繰り出され、ガイドローラ２５、及びテンションローラ２７に巻掛られている。巻軸１５は、図２に示すように、セパレータ３の端部２９を係合させるスリット３１を形成されている。同図に示すニップローラ３３は図３で省略されている。
図に表れていない回転機が巻軸１５を矢印αの向きに回転させることにより、セパレータ３が巻軸１５の周面に巻き付けられる。この過程で、正電極５を挟む一対のニップローラ３３を巻軸１５に前進させ、一対のニップローラ３３に挟まれた正電極５の端部３５をセパレータ３の内側の間隙に進入させる。これにより、正電極５がセパレータ３の内側に引き込まれ、セパレータ３と共に巻軸１５に巻き付けられる。更に同じ要領で、セパレータ７、耐熱フィルム１１、負電極９、及び耐熱フィルム１３を順次に巻軸１５に巻き付けることができる。
巻軸１５の回転を継続させ所望の長さの帯状物が巻軸１５に巻き取られた時点で、巻軸１５の回転を停止させる。巻軸１５に巻き取られた帯状物をカッター等により図３に示す原反１７，１９，２１，２３から切断し、巻軸１５から取り外したものが図１（ａ）に示す蓄電素子１である。帯状物の切り口を粘着テープ等により蓄電素子１の周面に固定しても良い。
図４（ａ）は、セパレータ３、負電極９、セパレータ７、フィルム１１、正電極５、及び耐熱フィルム１３を巻軸１５の径方向の外方へ向かう順番で積層した例を示している。同図（ｂ）は、セパレータ３、耐熱フィルム１３、負電極９、セパレータ７、フィルム１１、及び正電極５を巻軸１５の径方向の外方へ向かう順番で積層した例を示している。セパレータ３、正電極５、セパレータ７、及び負電極９の上記の順番は本発明の必須の要件であるが、耐熱フィルム１１，１３は、その少なくとも何れか一つが互いに隣り合う正電極５と負電極９との間に介在していれば良い。正電極５、セパレータ３，７、及び負電極９に対して耐熱フィルム１１，１３の順番が限定されることはない。
以上の巻回方法は、回転機により回転する巻軸を準備すれば、図３に示す巻回装置３７を使用することなく行うことができる。この場合、帯状物を巻軸に係合させる作業、及び帯状物の切断をロボット等が行うようにしても良い。また、巻回装置３７は、巻軸１５の回転する方向に配列された正電極５と負電極９との間に、耐熱フィルム１１，１３をそれぞれ供給する２つの供給手段３９を備える点を除き、既存の巻回装置と同様である。供給手段３９は、耐熱フィルム１１，１３をそれぞれの原反２３から巻軸１５まで案内するガイドローラ２５、及びテンションローラ２７である。
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、又は変形した形態で実施し得るものである。一つの蓄電素子１を構成するセパレータ３，７、又は耐熱フィルム１１，１３の総数が限定されることはなく、互いに隣り合う正電極５と負電極９との間に、２枚以上のセパレータ、又は２枚以上の耐熱フィルムを積層しても良い。
本発明は、電池素子材料、又はコンデンサの電極、セパレータに限らず、あらゆる形態の帯状物を巻回するのに有益な技術である。
１，１２５...蓄電素子、３，７，１０５...セパレータ、５，１０１...正電極、９，１０３...負電極、１１，１３...耐熱フィルム、１５，１１３，１１７，１２９...巻軸、１７，１９，２１，２３，１１９，１２１，１２３...原反、２５，１０９...ガイドローラ、２７，１１１...テンションローラ、２９，３５...端部、３１...スリット、３３...ニップローラ、３７，１０７...巻回装置、３９...供給手段、１１５...ターレット、１２７...粘着テープ。
Claims (4)
- 巻軸の回転する方向に、正電極、一のセパレータ、負電極、及び他のセパレータを配列し、これらを前記巻軸の周りに巻回する巻回方法であって、
前記一のセパレータに重ね合わされる一の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータに重ね合わされる他の耐熱フィルムを、前記正電極と前記負電極との間に介在させ、前記巻軸の回転に従わせて該正電極、該一のセパレータ、該一の耐熱フィルム、該負電極、該他の耐熱フィルム、及び該他のセパレータを該巻軸に巻き取り、
前記巻軸に巻き取る前記正電極、前記一のセパレータ、前記一の耐熱フィルム、前記負電極、前記他の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータを、６組の一対のニップローラによって、各々別個に挟んで該巻軸へ送ることを特徴とする巻回方法。 - 前記６組の一対のニップローラを前記巻軸の周りに配置する請求項１に記載する巻回方法。
- 巻軸の回転する方向に配列された正電極、一のセパレータ、負電極、及び他のセパレータを前記巻軸の周りに巻回する巻回装置であって、
前記一のセパレータに重ね合わされる一の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータに重ね合わされる他の耐熱フィルムを前記正電極と負電極との間に供給する複数の供給手段を備え、前記巻軸の回転に従わせて該正電極、該一のセパレータ、該一の耐熱フィルム、該負電極、該他の耐熱フィルム、及び該他のセパレータを該巻軸に巻き取り、
前記巻軸に巻き取る前記正電極、前記一のセパレータ、前記一の耐熱フィルム、前記負電極、前記他の耐熱フィルム、及び前記他のセパレータを、各々別個に挟んで該巻軸へ送る６組の一対のニップローラを備えたことを特徴とする巻回装置。 - 前記６組の一対のニップローラを前記巻軸の周りに配置した請求項３に記載する巻回装置。
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